水利水電工程建設對下游水文測驗的影響

孫紅美 孫振玉 孫凱

（泰安市水文中心，山東 泰安 271500）

在水文測驗時，技術人員需要到現場采集不同類型的地質數據與水文信息，但數據的獲取過程在水利建設工作的影響與干預下，會出現明顯的偏差，測驗工作的復雜性也出現明顯提升趨勢。通過水文測驗，可以及時感知下游水文環境的變化，將獲取的相關數據作為參照，可以有效避免由于水資源變化誘發的災害現象，也可以提高水源的使用率[1]。但隨著我國地方政府與相關部門對水利水電建設工程投入的增加，水文測驗工作的難度也隨之加大，甚至直接干預了下游相關工作的順利開展。為降低影響，使水利水電工程成為優化國家經濟建設的福利工程，建設單位提出了規范水文測驗工作行為、制定專項測驗方案等措施，但相關措施的實施，未能在實際工作中取得成果，甚至對水利水電工程項目的建設造成了干預[2]。為了徹底解決工程建設對水文測驗的負面影響，在保證水利工程項目發揮最大運行效能的基礎上，提升測繪數據的精確性與時效性，本文將設計一種工程建設對測驗影響程度的分析方法，掌握工程建設在不同程度上對測驗的干預，進一步實現對測驗工作的優化。

1 水利水電工程建設對下游水文測驗的影響分析方法

通過對下游河段進行水文測驗可以提高地域水文質量，提升地域內水利水電工程建設效果，促使其發揮最大效能。同時，高質量的水利水電工程建設也可以反作用于水文測驗中，利用終端計算機設備，將提取到的影響下游水文測驗的參數指標進行劃分，降低水文平衡性誤差，以此構建工程建設與水文測驗關系模型，提高地域水文分析能力。采用關聯度計算下游測驗站工作穩定性系數及建設頻繁程度等數值，獲取水文測驗的不同影響程度，對工程建設與測驗結果進行綜合分析。通過掌握工程建設周期內下游水文的空間分布變化趨勢，提升水質測繪的精確性，及時對問題水源進行檢測和治理，促使我國水資源利用率提高。

1.1 下游水文測驗影響因素提取

為進一步感知工程建設與測驗結果數據的影響，需要在開展設計研究前，對下游水文測驗工作影響因素進行提取。在此過程中應明確，對下游進行水文測驗其本質是對下游水位監測、水體流量綜合檢驗的過程，因此對其影響因素的提取便是對監測與綜合檢驗過程深度分析的過程。

在進行下游水位監測時，技術人員需要先進行專項儀器設備的調試，獲取不同時段下的水位，將獲取或采集的數據導入終端計算機設備，對數據進行宏觀調整與平滑處理[3]。通過此種方式，可以得到如圖1 所示的水位監測結果曲線。

圖1 下游水位監測結果曲線示意圖

在測驗過程中，水位監測值的精度、誤差、時效等參數均可以作為描述監測結果質量性與可行性的指標。

采用多普勒超聲波流量計，按照ADCP 測流方法對被測試的水域水流進行平均流速、水深和水溫的測試。由于多普勒超聲波流量計自身帶有溫度傳感器，可以補償水溫對聲速的影響，使測試結果更加精確。同時，無機械轉子結構的特點會減小對水域內水流的影響程度，提高測量精度，降低起始速度，便于獲取水域實際水質數值。結合速度面積法，測量水域內的水流瞬時流量和累積流量，有效提高下游水文測驗影響因素數據的提取效果，實時性較強。但是，在水利水電工程建設綜合調度過程中，由下游流下的水體不論在流量或是在流速方面，都會受到影響。盡管技術人員可以通過對水位流量的ADCP 在線監測，精準地掌握水位與流量信息，但測驗工作中的平衡性誤差仍不可避免[4]。按照上述方式，在水文測驗工作中，將描述測驗結果的多個參數指標作為影響因素，將參數指標表示為P，則測驗影響因素可以表示為{P1,P2,P3,…,Pn}，按照此種方式，完成對下游水文測驗影響因素的提取，其中n 代表影響因素的數量。

1.2 構建工程建設與水文測驗關系模型

全面、可靠的水文地質資料是保證水文測驗結果準確性的依據，為掌握上游水利工程建設實施對下游水文測驗工作的影響，本章提出構建兩者關系模型的方式，發揮工程建設對測驗的負面干預。

在開展此項工作時，可以通過結合水文流量組合法與連時序法的方式，構造下游水文分布空間結構。水文流量組合法是將被測水域內的上游河段與下游河段變化趨勢進行組合的一種方式，可以提高測驗過程中的精準度。這是由于水利水電工程建設對上游河段的影響程度較小，不會因為外界的客觀環境因素和工程建設的內在影響造成上游河段水位和流量變化。因此，可以在上游區域內選取某一時段的水位與流量變化情況，將其繪制成水文變化趨勢圖，結合折線趨勢分析下游水域的變化程度。水文流量連時序法是通過計算的方式獲取一定時期范圍內的被測水域H-ADCP 數據，根據具體下游河段的流速、水深和水溫結果進行圖表繪制。水文流量圖表以時間變化趨勢和流量走勢作為繪制條件，繪制出在特定時期范圍下，下游河段水勢情況，以此分析水利水電工程建設對下游水文的影響。將水文空間分布的變化趨勢作為關系，按照水文流量組合法與連時序法的方式構建工程建設與水文測驗關系模型。模型構建的主要參照依據，例如，調度數據庫歷史數據，明確下游水文變化周期（周期可以為一個月，也可以為一個季度），記錄水文工程在建設周期內下游周圍水系的變化。引進數據挖掘技術，識別并判斷水系變化在此過程中是否存在可循規律，根據規律繪制水系流量圖示[5]。同時，明確測驗中的上游水位變化受到水利水電工程建設的影響程度較小，水位監測結果數據與水體流量數據的相關性更強。因此，在構建關系模型時，截取上游水位中某一段高水位流量信息，將其繪制成“時序- 上游水位流量”示意圖，將繪制的圖示與周期時間段內“時序- 下游水位流量”示意圖進行匹配，根據匹配結果，得到一個可以描述工程建設與水文測驗關系的結構模型。模型表達式如下計算公式所示。

公式（1）中：Qm表示為工程建設與水文測驗關系模型表達式；K 表示為點面系數；m 表示為兩者圖示匹配程度；θ 表示為下游水位峰值；S 表示為統計流量；F 表示為測驗周期。將已知參數代入上述計算公式，完成對關系模型的構建，初步掌握在工程建設周期內下游水文的空間分布變化趨勢。

1.3 基于關聯度計算的影響程度綜合分析

完成對影響因素的提取與上述相關設計研究后，引進關聯度計算公式，通過對不同影響因素與水文測驗結果可靠性指標的關聯度比對，掌握工程建設與測驗結果的影響。關聯度計算可以通過研究被測水域上游河段和下游河段的平均流速、水深和水溫等數據，研究水利水電工程建設與下游水文的關聯性大小，從而反映各影響因素對目標值的重要程度，具有一定的客觀性。其中，水利水電工程建設對下游水文測驗影響程度的關聯度計算公式如下。

公式（2）中：ΔZm表示為工程建設與測驗結果的影響關聯度；η 表示為下游測驗站工作穩定性系數；i 表示為上游水利水電工程建設頻繁程度；V 表示為水文體積系數。將相關數值代入計算公式（2），得到ΔZm結果數值，對ΔZm進行量化處理。當ΔZm取值在0.8～1.0 之間時，說明水利水電站工程建設對于測驗工作的影響程度極大，測驗結果數據可能與實際結果存在偏差；當ΔZm取值在0.5～0.8（不含0.8）時，說明水利水電站工程建設對于測驗工作的影響程度較大，測驗結果數據可能與實際結果存在可校正的偏差；當ΔZm取值<0.5（不含0.5）時，說明水利水電站工程建設對于測驗工作無影響，或影響程度較小，可以通過人工校正的方式，實現對影響程度的綜合分析。

至此，完成了水利水電工程建設對下游水文測驗影響的方法設計，綜上所述規范水文測驗工作有利于確保水文站的穩定運行，實現人與自然和諧相處的目的。

2 實例應用分析

在完成對影響分析方法的設計后，為了驗證這一分析方法的應用效果，選擇以某流域為該分析方法的應用環境，開展這一覆蓋范圍內水利水電工程建設對其下游水文測驗的影響分析。已知該流域當中富含豐富的水生生物資源，流域全長300km，在該區域上游位置完成了對水利水電工程的建設，除了對河流以及生物造成了阻隔影響以外，工程中水庫調度時也對該流域下游水文測驗過程產生了一定影響。為了探究具體影響，針對該流域進行影響分析。首先，提取該區域下游水文測驗影響因素，其次，結合該流域上游水利水電工程建設項目，構建工程建設與水文測驗關系模型。最后，引入關聯度計算，對該流域水利水電工程建設對下游水文測驗的影響進行分析。在分析過程中，提取各項指標并按照上述論述內容，計算得出該流域在建設水利水電工程前10 年各指標的平均數值，再計算出該流域在建設水利水電工程后10 年各指標的平均數值，將計算結果繪制成表1 所示。

表1 各影響因素指標計算結果記錄表

從表1 中得出的各影響因素指標計算結果可以看出，影響因素指標P3 和P5 的相對變化更大，其次為P4和P6，最低的影響因素指標為P2，相對變化僅為2.1%，可認為這一影響因素不會影響測驗過程及結果。由此可以通過相對變化確定工程建設對其測驗主要受到P3 和P5 因素影響，其次為P4 和P6，在測驗過程中不會受到P2 因素影響。通過上述實例能夠看出，本文提出的影響分析方法能夠結合最終得出的分析量化結果實現對其影響因素的確定，直觀性更強，在實際應用中具備更高可行性。

為對比分析本文提出的影響分析方法和傳統影響分析方法在測量流量方面的誤差，選用上述流域下游洪水過程進行兩種影響分析方法的測量流量結果對比，測量水利水電工程位于該水文站測驗保護區內，水文測驗斷面距工程約80m。該水文站測驗河道順向長度450m，在基礎斷面下300 米處修建了一座雙曲型拱橋。該流域植被覆蓋率高，雨量充沛，年變化不大。洪水以暴雨為主，起伏緩慢。在高水位條件下，水位- 流量關系是一條單線，在中、低水段出現多條臨時曲線。

2020 年，該水文站洪水時間從0902-0930 歷時大于60d，洪水量級為中量級，河道斷面洪峰流量1800m3/s，最大水面寬500m，最大垂線平均流速3.3m/s，該次洪水過程具有較高對比測驗價值。于2020 年6、7 兩個月該水文站利用本文提出的影響分析方法和傳統影響分析方法對水文站斷面出現的中、低洪水進行了對比分析，具體結果如表2、表3 所示。

表2 水文站中等洪水時測量流量精度對比表

表3 水文站低等洪水時測量流量精度對比表

從表2 可以看出水文站中等洪水橋本文提出的影響分析方法和傳統影響分析方法所測得流量最大絕對誤差為40m3/s，最小為0m3/s。符合水文測驗規定的相對誤差在5%的規定范圍。從表3 可以看出水文站低等洪水橋本文提出的影響分析方法和傳統影響分析方法所測得流量最大絕對誤差為25m3/s，最小為0m3/s。

符合水文測驗規定的相對誤差在5%的規定范圍。從測驗時間上看傳統影響分析方法測流平均在90min 左右，本文提出的影響分析方法測流平均在15min 左右，傳統影響分析方法測流時間是本文提出的影響分析方法測流時間的6 倍，可見本文提出的影響分析方法測流效率極高。

3 結論

水文測驗工作是指技術人員在開展相關工作時，使用專業的儀器設備，輔助現代化技術，對地區水文資料進行綜合統計與分析處理的過程。通過專項統計工作，可以得到大量的水文地質數據，將此部分數據作為參照，可以為地區水利水電工程與相關項目提供進一步的參考依據。為了降低外界環境對此項工作實施造成干擾，將設計一種工程建設對測驗影響程度的分析方法，并通過實踐檢驗的方式，對設計方法的可行性進行了檢驗，掌握了上游工程建設工作對測驗工作造成的綜合影響，為實現水文地質測驗、地質災害監測等相關工作的實施提供可靠、科學、精準的測驗數據。